预应力碳纤维板加固 一座混凝土空心板梁桥的设计及应用

【摘要】本文以一座混凝土空心板梁 桥的加固为背景，对预应力碳纤维板进行 较为深入的介绍，并对加固前后桥梁的受 力性能进行了计算分析，可以看出，预应力 碳纤维板材加固混凝土空心板桥很好地结 合了传统的碳纤维加固技术和体外预应 力，在提高结构抗弯刚度、承载力，减小结 构变形，控制裂缝发展上取得了明显的效 果。不仅可以修复主梁的承载力，而且还使 得病害梁有1 0 % ~2 0 %的应力储备，开裂弯 矩比加固前提高了2 4. 8%，加固效果明显。 

【关键词】桥梁工程,混凝土空心板, 加固改造,预应力碳纤维板,有限元,加固

1.引言 

随着我国经济和交通运输的飞速发 展，交通量和交通荷载也越来越大。对于道 路桥梁，当它投入运营使用一定时间后，由 于设计的局限（如设计荷载标准偏低，技术 力量的欠缺）和施工水平的不足，使其难以 适应日益增长的交通负荷。车轮荷载的不 断增长和反复作用使桥梁长期处于超负荷 运行的状态。加之桥梁处于多样且复杂的 自然环境当中，受到雨水侵蚀以及温度荷 载的反复作用，使得很多早期建设的桥梁 出现了不同程度的病害，危桥改造的任务 紧迫。 预应力碳纤维板材应用于桥梁结构加 固是近几年发展起来的一项新技术，该项 技术充分利用了碳纤维板材加固技术与体 外预应力加固技术的优点，既能够显著提 高桥梁的承载能力，又提高结构的刚度，减 小结构在使用荷载作用下的变形，使得材 料能被充分利用，从而降低了造价成本，能 被广泛运用于实际工程中。 本文以笔者实际工作中遇见的一座混 凝土空心板梁桥为工程背景，先介绍针对 其病害进行了预应力碳纤维板的加固方 法，进而采用Midas有限元软件对桥梁加固 前后的受力性能进行了计算分析，得到了 一些有益的结论，希望对类似工程起到一 定的帮助。 2.工程概况及加固方案 2. 1工程概况 福建省南平市某桥为预应力混凝土简 支空心板桥，桥长150.0m，跨径组成为6× 25.0m，桥宽10.7m，由8.4m(机动车道)+2. 3m(人行道和栏杆)组成，上部结构由7片空 心板组成，板高1.20m，宽1.25m~1.39m。 由于该桥成桥运营时间长，交通荷载 不断增大，加之其他环境因素的影响，桥梁 出现了多处病害。南平市公用事业局桥梁 管理处委托专业检测机构，于2 01 2年1 2 月 对该桥进行常规和结构定期检测，发现上 部结构主梁存在开裂现象，36条横向裂缝， 1 1 条裂缝沿侧面延伸，裂缝宽度最大测读 值为0. 32mm，累计5条裂缝宽度超过规范 （CJJ99-2003）限值（0.10mm），部分裂缝存 在流白灰现象；主梁底面存在2 条纵向裂 缝、流白灰等现象。根据《城市桥梁养护技 术规范》(CJJ 99-2003)认为，该桥现阶段桥 面系、上部结构、下部结构及总体技术状况 等级评定均为D 级，即不合格状况，需进行 中修或大修。 2. 2加固方案 针对该桥主梁出现病害导致承载力下 降的情况，基于计算分析结果，并考虑桥梁 的实际情况，对更换病害梁段、预应力碳纤 维板、无黏接环氧钢绞线体外束、裂缝灌浆 封闭等4 种方案的可行性，经济性，耐久性 等进行全面比较，确定梁底黏贴预应力碳 纤维板加固主梁的方案。 主要流程是针对开裂较严重的空心板 梁，梁底裂缝病害处理完毕后，黏贴碳纤维 板，并张拉预应力。碳纤维板采用了进口碳 纤维板，厚度为1.4mm，宽度为100mm，配 套胶粘剂。预应力碳纤维板系统采用配套 的S S T 预应力锚固板及张拉机具，张拉控 制应力为1000MPa，张拉控制力140kN，具 体设计图见图1 。 3.加固效果的计算分析 3. 1主梁应力 根据检测报告可知，该桥第二跨病害 较为严重，因此选取该跨建立有限元模型， 计算预应力碳纤维板对病害梁段的加固效 果及对其他主梁的影响。采用桥梁专用有 限元程序Midas建立有限元模型，主梁采用 三维梁单元进行模拟，支座采用弹性连接 进行模拟。模型采用梁格法，建立了虚拟的 横梁单元模拟主梁间的横向联系。全桥共 划分252个节点，333个单元，有限元模型如 图2 所示。

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